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漆小泉研究组在水稻萜类代谢调控新型湿敏雄性不育方面取得重大进展

图:三萜代谢途径调控花粉包被形成及水稻湿敏雄性不育。A: 禾谷绒毡醇合酶(OsOSC12/OsPTS1)引导的代谢途径调控花粉外壁中脂肪酸积累的模式图(花药发育第9-12时期)。B: 湿敏雄性不育突变体(E157)在干燥和高湿环境中的结实稻穗。


高等植物的花粉粒有一层坚硬的外壳,称为花粉外壁。花粉外壁由外层和内层组成,填充在两层之间的物质称为花粉包被。花粉包被在防止花粉粒干燥、保护花粉粒免受机械损伤和病原菌侵染等方面具有重要作用。自然界中花粉壁发育不良和缺少花粉包被植株的育性明显下降,因此,研究花粉包被的形成机制,将有望发现作物杂交育种和制种所需的优良雄性不育材料

中国科学院植物分子生理学重点实验室漆小泉研究组长期从事植物萜类代谢的研究,已鉴定出多条植物二萜和三萜代谢途径New Phytol 193:1022, Mol Plant 6: 1726, Plant Physiol 169: 1607)。最近研究发现水稻三萜合酶OsOSC12/OsPTS1催化2,3-环氧鲨烯产生一种二环三萜化合物“禾谷绒毡醇”。缺失OsOSC12/OsPTS1功能的水稻植株(突变体)所产生的花粉粒,其花粉包被的组成成分明显减少,花粉粒得不到有效保护而迅速失水,在湿度低于60%的环境中表现为不育,而在湿度高于80%的环境中则表现为完全可育,是一种新型的湿度敏感型雄性核不育材料。进一步的研究表明,与正常植株相比,突变体花粉包被棕榈酸和亚麻酸的含量明显降低,并且完全不含有硬脂酸;对突变体的花粉粒补充棕榈酸和亚麻酸后能够有效防止花粉粒过度失水,由此表明,花粉包被缺乏这三种脂肪酸是导致花粉粒迅速失水的主要原因。OsOSC12/OsPTS1普遍存在于禾本科植物中,在玉米、小麦和大麦的花药中表达,并检测到产物禾谷绒毡醇”,预示了禾本科植物中存在类似的分子机制。

该研究揭示了OsOSC12/OsPTS1在水稻花粉包被的形成过程中发挥着关键作用,为深入了解花粉包被的形成机制和保水机理奠定了基础。研究获得的湿度敏感型雄性不育系是继我国早期发现的水稻光温敏雄性不育材料之后的又一新型的条件雄性不育材料。水稻光/温敏核雄性不育的育性需要严格控制温度和光照,极大地限制了其应用范围,而新发现的湿敏雄性不育系的育性只受扬花期环境湿度的影响,可在夏季干旱少雨的地区配制杂种,从而突破目前水稻杂种优势利用的地域限制。此外,采用相同的研究方法和技术,有望获得小麦、玉米、大麦、燕麦、高粱、小米等作物的湿敏雄性不育材料,开创作物两系杂交育种和杂种优势利用的新篇章。

该研究成果于29日在线发表于国际学术刊物《Nature CommunicationsDOI: 10.1038/s41467-018-03048-8上,薛哲勇副研究员、毕业生徐霞博士和在读博士生周媛为该论文共同第一作者,漆小泉研究员为通讯作者。这项研究得到了国家自然科学基金重点项目和973计划的资助。

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